取下表针,揭开后盖,我们就看到里边是这个样子的了,一些尺轮,还有一个线圈和金属框架,下边是能装1节AA电池的电池仓。细心的读者可能已经发现,电池仓右侧的极片附近有很多白碱,没错,那些就是电池漏液时留下的,说明钟不走,很可能就是因为电极片被腐蚀导致接触不良而引起的,稍后清理一下没准能让这个石英钟复活。

我们把上层的齿轮架取下,下层还有几个齿轮。而且我们也能更清楚的看到左边那个金属架的完整结构了。其实那个金属架和线圈,就是石英钟的电机。很多不知所以然的人也许以为石英钟是用石英驱动的,事实并不是这样,石英钟其实是电动钟。那么它为什么要叫石英钟呢?

我们把它的电机板从机芯总成上取下来,仔细看一看,在它的背面还有块小的电路板。这个电路板上有一个银色的柱形元件,它叫作石英晶体振荡器,简称晶振。石英钟作为一种机械钟表,与传统的机械钟最大的区别就是控制走时精度的机构有区别,传统的机械钟靠的是钟摆,因为我们知道钟摆是有固定的振荡频率的,机械表利用这个特性保持时钟走时的准确,但是钟摆很大,像个秤砣。
石英晶体加上电压后会形变弯曲,而断开电后它又会产生一个电压,利用这个特性,我们捕获它本身的固有振荡频率,就可以起到同样的保持时钟走时准确的效果了。所以这样一个小小的晶振就可以代替一个大秤砣似的钟摆,可以轻松的把钟表尺寸做到很小,比如石英手表,也是同样的原理,而它的复杂程度比传统机械表却要简单得多。

这是石英钟的电路图,极为简单,如果不带闹钟功能的石英钟,小板子上一共只要接6条线就可以工作。电池2条线,电机2条线,晶振2条线,有个脑袋就会接!
我们看到,图中的晶振标着32768Hz,就是说它的固有频率是32768Hz,在钟表专用芯片的驱动下,就能每秒产生32768次振荡了。可是我们平时看到石英钟都是每秒跳动一下秒针的,这是因为在芯片的内部还有分频电路,经过15次2分频后,32768Hz就成了1Hz,也就是每秒1下了。
实际上石英钟芯片内部是16个2分频,也就是0.5Hz,即每2秒1下,这又是为什么呢?
我们看到那个电机的转子,就是一个塑料齿轮下边一块黑色的圆柱体。那个黑的圆柱体,其实是磁铁,它的NS极是径向分割的。

电机上永磁铁的磁极就是如图这样分布的,而它位于那个有开口的铁框(学名叫定子,实际上是铁芯)中间时,线圈所产生的磁力线刚好会贯穿磁铁的NS极。我们都知道,磁铁有同性相斥,异性相吸的特性,所以电机转子的磁极方向,总是会顺着定子中磁力线的方向,而定子的磁力方向是由线圈中流过的电流方向所决定的。如果我们不停的改变定子线圈中的电流极性,电机转子就可以NS——SN——NS——SN……这样不停的改变下去了,也就是说,电机就转起来了。
为了省电,因为秒针只是每秒才需要动一下,所以,电路设计的是每秒才为电机瞬间通一次电,通电的时间只要够让电机转子旋转180度就可以了,而下一秒则需要让电机线圈的极性反过来,再下秒再反回来。所以实际上是每2秒一个周期,一次正,一次反。这就是为什么要把32768Hz做16次2分频的原因了。其中16次2分频的信号用来颠倒极性,15次2分频的信号用来控制打开电机驱动。
喜欢动脑子的人这时可能会提出来一个疑问:为什么180度旋转的时候,电机总是向着表针正转的方向旋转,不会反过来转吗?方向是怎么决定的呢?好吧,那么大家请仔细观察电机定子的铁芯,有没有发现什么细节?
如果你的眼力好,就会发现,其实铁芯开口端并不是对齐的,有一侧略长。所以,转子总是会延着略长的的这条铁芯的延展方向去旋转。这是因为这里的磁力线方向更向外,产生了一个偏转力,让电机无法反向旋转。有部分石英钟机芯上的电机定子铁芯不是整体U形的,而是由两半对上的,那种产品若固定支架断裂,可能会因为开口错位方向改变而导致电机反转,这就是为什么有些石英钟摔过以后就变成倒走的原因了。
电机每次转过180度,但秒钟要30秒才会转180度,所以电机齿轮与秒针齿轮之间有1:30的减速比,这样电机每转30圈,秒针才刚好转1圈,就是1分钟。60秒才是1分钟,60分钟是1小时,所以秒到分和分到时的减速比都是1:60,这样在齿轮的带动下,表就可以完成走时了。

其实有好多产品的名字可能都不是特别的准确,石英钟是因为走时的振荡源是石英振荡器而得名,因为当初的钟用钟摆,石英取代钟摆因此走时准确是它最大的优势,故而把这种技术的钟叫作石英钟,也算是一个卖点吧。其实大家大概听过另一个名字“半导体”,其实指的是收音机,它是使用半导体晶体管制造的,因为与之前的电子管技术相比最大的区别就是使用了半导体元件,所以才得名,是不是和石英钟的名字有点像?
江南财贵人祝大家度过一个时钟准确的愉快周末。
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